(57)【要約】【課題】  複雑な形状の被加熱物であっても、高品質に高周波焼き入れ、または焼き鈍しを行うことができる高周波誘導加熱装置を提供する。【解決手段】  携帯型の加熱ヘッド１をロボット２で保持する。ロボット制御部３は、ロボット２の軌道、および速度をコントロールする。ワークの形状に応じて軌道、速度をティーチングする。高周波制御部４は、加熱ヘッドの出力、周波数をコントロールする。加熱ヘッド１には温度センサを備え、所定の出力、移動速度でワークを予備加熱する。予備加熱によって温度センサが取得したワークの表面温度に応じて、焼き入れ、焼き鈍し時の出力、移動速度、軌道を修正する。これにより、複雑な形状のワークであっても高い焼き入れ、焼き鈍し品質を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電流を流して被加熱物を誘導加熱する携帯型の加熱ヘッドと、
前記加熱ヘッドの出力を設定する加熱ヘッド制御手段と、
前記加熱ヘッドを保持し、所定の速度、軌道で被加熱物近傍を移動させるロボットと、
前記ロボットの移動速度と軌道を設定するロボット制御手段と、
を備えた高周波誘導加熱装置。
【請求項２】
被加熱物の表面温度を検出する温度センサと、
表面温度と、加熱ヘッドの出力、ロボット移動速度、または軌道との関係を記録したメモリをさらに備え、
前記加熱ヘッド制御手段と前記ロボット制御手段は、所定の出力、移動速度、および軌道で被加熱物の予備加熱を行い、前記予備加熱の後、前記温度センサの検出値とメモリ内容に基づいて、加熱ヘッドの出力、ロボットの移動速度、またはロボットの軌道を修正し、本加熱を行う請求項１に記載の高周波誘導加熱装置。
【請求項３】
焼き入れ用冷却液、または圧縮空気を噴射する複数の噴射手段と、
前記噴射手段へ焼き入れ用冷却液、または圧縮空気を切り換えて供給する切り換え手段と、をさらに備えた請求項１、または請求項２に記載の高周波誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、効率良く確実に焼き入れ、焼き鈍しを行うことができる高周波誘導加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波誘導加熱は、コイルに高周波電流を流し、これにより発生した渦電流のジュール熱で被加熱物自体の内部発熱を引き起こすものである。このような高周波誘導加熱は、以下のような特徴を有する。
【０００３】
（１）非接触に高速、高温に被加熱物を加熱させることができる。
【０００４】
（２）被加熱物が自己発熱するので加熱効率が良い。
【０００５】
（３）出力を制御することにより加熱温度制御が可能である。
【０００６】
（４）局部加熱が可能である。
【０００７】
このような特徴から、高周波誘導加熱は、種々の用途に用いられている。例えば、自動車部品等の大型の金属焼き入れにも利用されており、ワークを搬送させながら焼き入れを行う高周波焼き入れ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３７１２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の高周波焼入装置は、加熱コイルに対してワークが相対移動し、焼き入れの必要なワークの部分が連続的に加熱され、その後加熱された部分に冷却液等を噴射して急冷するものである。この冷却液が加熱中のワークにかかり、不要な冷却がされないように、冷却液噴射部の周囲に拡散防止板を設けている。
【０００９】
しかし、特許文献１に記載の高周波焼き入れ装置は、被加熱物であるワークの形状に合わせた専用設計にする必要があり、ワークの寸法や形状が限定され、複雑な形状のワークを焼き入れすることができないという問題があった。また、ワークの形状や寸法が大型化するほど、高周波焼入装置が大型化するという問題もあった。
【００１０】
さらに、このような高周波焼入装置では、高い焼き入れ品質を得ることができないという問題を有していた。すなわち、ワークの形状が複雑であると、加熱コイルとワークのギャップが場所によって変化し、加熱温度が均一でなくなる。この場合、焼き入れ後のワークの硬度、焼き入れ深度が場所によってばらつくという問題が有った。さらにはギャップが小さく加熱温度が高すぎる場合にはワークに割れが生じるということもあった。
【００１１】
この発明は、複雑な形状の被加熱物であっても、高品質に高周波焼き入れ、または焼き鈍しを行うことができる高周波誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の高周波誘導加熱装置は、高周波電流を流して被加熱物を誘導加熱する携帯型の加熱ヘッドと、前記加熱ヘッドの出力を設定する加熱ヘッド制御手段と、前記加熱ヘッドを保持し、所定の速度、軌道で被加熱物近傍を移動させるロボットと、前記ロボットの移動速度と軌道を設定するロボット制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明において、携帯型の加熱ヘッドをロボットで保持し、被加熱物の形状に沿って移動させる。被加熱物の形状に沿った移動をさせることで曲面形状の被加熱物であっても加熱温度が均一になり、高い焼き入れ、焼き鈍し品質を得ることができる。また、被加熱物の形状に沿う軌道を設定したロボットによって移動加熱を行うので、常に同じ条件で焼き入れ、焼き鈍しを行うことができる。また、携帯型の加熱ヘッドをロボットが保持して移動加熱するので、被加熱物の形状や寸法が大型化しても、装置が大型化することはない。
【００１４】
この発明は、さらに、被加熱物の表面温度を検出する温度センサと、表面温度と、加熱ヘッドの出力、ロボット移動速度、または軌道との関係を記録したメモリをさらに備え、前記加熱ヘッド制御手段と前記ロボット制御手段は、所定の出力、移動速度、および軌道で被加熱物の予備加熱を行い、前記予備加熱の後、前記温度センサの検出値とメモリ内容に基づいて、加熱ヘッドの出力、ロボットの移動速度、またはロボットの軌道を修正し、本加熱を行うことを特徴とする。
【００１５】
この発明において、非接触の温度センサで被加熱物の表面温度を検出する。高周波焼き入れ、焼き鈍し工程を行う前に、予め所定の出力、移動速度で予備加熱を行う。予備加熱は、被加熱物の材料特性が変化しない程度の加熱で行う。予備加熱で表面温度を検出し、この検出結果でメモリ内容を参照し、これに応じて加熱ヘッドの出力、ロボットの移動速度、ロボットの軌道を修正する。すなわち、表面温度が均一になるように、加熱場所に応じて上記パラメータを修正する。予備加熱で表面温度が低い場所は、出力を上げたり、移動速度を落としたり、ヘッドをワークに近づけるような軌道に修正したりする。これにより、さらに高い焼き入れ、焼き鈍し品質を得ることができ、これらのパラメータをコントロールすることで加熱温度のコントロールが可能となり、ワークを所望の硬度、焼き入れ（焼き鈍し）深度に制御することができる。
【００１６】
この発明は、さらに、焼き入れ用冷却液、または圧縮空気を噴射する複数の噴射手段と、前記噴射手段へ焼き入れ用冷却液、または圧縮空気を切り換えて供給する切り換え手段と、をさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
この発明において、流体物を噴射することができる噴射ノズルを備えている。この噴射ノズルは、切り替え機構によって焼き入れ用の冷却液と圧縮空気のいずれかを切り換えて噴射する。これにより、単一の方向だけでなく、複数の方向に加熱ヘッドを移動させて焼き入れを行うことができ、例えば双方向に焼き入れ、焼き鈍し工程を行うことができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のようにこの発明によれば、携帯型の加熱ヘッドを保持したロボットが被加熱物形状に沿って移動して誘導加熱を行うので、被加熱物の寸法や形状がどのようなものであっても均一に加熱することができ、焼き入れ、焼き鈍し後のワークの硬度、深度のばらつきを抑えて、高い焼き入れ品質を得ることができる。
【００１９】
また、加熱ヘッドの出力、ロボットの移動速度、ギャップをコントロールすることで、加熱温度のコントロールが可能となり、焼き入れ、焼き鈍し後のワークを所望の硬度、深度に制御することができる。
【００２０】
また、携帯型の加熱ヘッドをロボットが保持して移動加熱するので、被加熱物の形状や寸法が大型化しても、装置を大型化する必要がなくなるとともに、焼き入れ用冷却液と圧縮空気を切り換えることによりロボットの動作の簡略化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置を示した外観図である。同図に示すように、高周波誘導加熱装置は、携帯型の加熱ヘッド１、加熱ヘッド１を保持して移動させるロボット２、ロボット２の動作を制御するロボット制御部３、および加熱ヘッド１の出力を制御する高周波制御部４を備えている。
【００２２】
加熱ヘッド１は、高周波電流を流すコイル等により構成されており（図２参照）、高周波制御部４とフレキシブルケーブルで接続されている。したがって、加熱ヘッド１は、自由に移動させることができ、接続されているロボット２により所定の軌道で移動させることができる。詳細は後述する。
【００２３】
高周波制御部４は、高周波電流を供給する電源、発振器等により構成されており、加熱ヘッド１に流す高周波電流の出力をコントロールする。ここでは、トランジスタインバータ式発振器を用いる。トランジスタインバータ式発振器を用いることで高周波数（例えば１２０ＫＨｚ）、高出力（３０ＫＷ）を実現することができる。なお、他の方式の発振器を用いてもよい。
【００２４】
ロボット２は加熱ヘッド１を保持しており、ロボット制御部３の制御に応じて加熱ヘッド１を３次元に移動させる産業用ロボットである。ロボット制御部３は、ロボット２の軌道、および速度をコントロールする。ロボット２の軌道、および速度は、予めティーチングしておくことができ、指定の条件で繰り返し同じ移動を行うことができる。
【００２５】
図２は、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置の加熱ヘッド部を示した外観図である。同図に示すように、加熱ヘッド１は、高周波電流を流す加熱コイル１１、加熱コイル１１の前後に噴射部１２、温度センサ１３を備えている。また、加熱ヘッド１は、ロボット２に接続するためのロボット取付部２１を備えている。
【００２６】
加熱コイル１１は、高周波制御部４の制御により、高周波電流を流して被加熱物（ワーク）を誘導加熱する。加熱コイル１１に高周波電流を流すと、交番磁界が発生する。この交番磁界によりワーク内に渦電流が誘起され、ジュール熱によってワークが自己発熱する。このような高周波誘導加熱においては、高周波電流の出力をコントロールすることによってワークの加熱温度をコントロールすることができ、一般には常温〜１０００℃程度にワークを加熱することができる。
【００２７】
加熱コイル１１は、ワークの形状に応じて種々の形を取り得るが、本実施形態においては、略ロの字型（中空の直方体形状）のコイルとする。無論、この形状以外のコイルであってもよい。例えば曲面からなるワークを加熱する場合には、この曲面に沿った形状に、凸状（または凹状）に湾曲したコイルを用いてもよい。被加熱物であるワークは、様々な形状、材質が考えられるが、例えば樹脂成形用の金型、自動車用鉄鋼部材等である。なお、加熱コイル１１は、内部にコイル冷却用の冷却水を循環する管等（図示せず）を備えており、冷却水を循環することで高周波電流による自己発熱を抑える構造となっている。
【００２８】
噴射部１２は、加熱コイル１１の前後に複数（本実施形態においては二つ）設置され、ワーク表面に対して流体物を噴射するものである。それぞれの噴射部１２は流体物を噴射する複数のノズルを備えている。いずれか一の噴射部１２には、圧縮空気を供給し、他方の噴射部１２には焼き入れ用冷却液を供給する。それぞれの噴射部１２に、圧縮空気と焼き入れ用冷却液のどちらを供給するかは噴射部１２に接続される噴射用制御機構（後述する）によって決定される。
【００２９】
冷却液を噴射する噴射部１２は、焼き入れ用冷却液を加熱コイル１１で高温に誘導加熱されたワーク表面に吹きつけ、ワークを急冷するものである。これによりワークは焼き入れされ、このように高温加熱後に急冷されて焼き入れされたワークは、表面が硬く、耐摩耗性にも優れ、高寿命の金属部材となる。
【００３０】
圧縮空気を噴射する噴射部１２は、加熱コイル１１の表面付近に空気を吹きつけ、焼き入れ用冷却液の飛散を防止するものである。加熱コイル１１の表面付近に空気を吹きつけることで、加熱コイル近傍に空気の遮蔽ができ、ワーク表面に冷却液が飛散することを防止できる。
【００３１】
温度センサ１３は、加熱コイル１１の近傍に設置される非接触式の温度センサであり、例えば熱電対を直列に並べた赤外線センサによって構成される。温度センサ１３は、加熱コイル１１によって誘導加熱されたワークの表面温度を測定することができる。ワーク表面の温度を測定することで、ワークの場所による加熱温度のばらつきを検出することができる。なお、この温度センサ１３も加熱コイル１１の前後に複数（同図においては二つ）設置され、これにより前後どちらの方向にも加熱ヘッド１を移動させることができる。
【００３２】
ロボット取付部２１は、上述したロボット２と接続するための接続機構であり、ロボット２は、これを介して加熱ヘッド１を保持して移動させることができる。
【００３３】
本発明の高周波誘導加熱装置は、ロボット２が加熱ヘッド１を保持し、ワークの形状に沿って移動させることで、複雑な形状のワークであっても均一な温度で移動焼き入れ、または焼き鈍しを行うことができる。
【００３４】
次に、高周波誘導加熱装置の構成について詳細に説明する。図３は、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置のブロック図である。同図に示すように、高周波誘導加熱装置は、加熱ヘッド１、ロボット２、ロボット制御部３、高周波制御部４、演算部５、メモリ６、および供給制御部７を備えている。
【００３５】
加熱ヘッド１の加熱コイル１１は、高周波制御部４に接続されている。噴射部１２は、供給制御部７に接続され、供給制御部７は高周波制御部４に接続されている。温度センサ１３は、演算部５に接続され、この演算部５には、ロボット制御部３、高周波制御部４およびメモリ６が接続されている。ロボット制御部３は、ロボット２に接続されている。
【００３６】
供給制御部７は、噴射部１２に圧縮空気、焼き入れ用冷却液を供給し、これらをコントロールする噴射用制御機構である。上述したように、複数の噴射部１２には圧縮空気と焼き入れ用冷却液のいずれかを供給するが、どちらを供給するかは供給制御部７が決定する。
【００３７】
供給制御部７は、エアコンプレッサや工場用ライン等の圧縮空気供給源から圧縮空気の供給を受けており、また、ウォーターポンプやタンクを備えた冷却液供給源から焼き入れ用冷却液の供給を受けている。供給制御部７は、複数の噴射部１２に圧縮空気と焼き入れ用冷却液のいずれかを選択して供給することができる切り換え機構を有している。
【００３８】
演算部５は、温度センサ１３からワークの表面温度データを取得する。さらに、ロボット制御部３からロボット２の位置（軌道）、移動速度を取得し、高周波制御部４から加熱コイル１１の出力設定値を取得する。演算部５は、ワーク表面温度、ロボット２の位置、移動速度、加熱コイル１１の出力の関係をリアルタイムに比較することが可能である。また、演算部５は、ロボット制御部３の制御するロボット２の軌道、移動速度を設定することが可能であり、高周波制御部４の制御する加熱コイル１１の出力を設定することも可能である。
【００３９】
演算部５は、ロボット２の軌道、移動速度をティーチングする。ロボット２の軌道は、この高周波誘導加熱装置を使用するユーザ等があらかじめ設定する。また、工場出荷時に種々のワークを想定した複数の設定条件をメモリ６に記憶させておいてもよい。高周波誘導加熱装置のユーザは、いずれかの設定条件を選択すればよい。演算部５は、ユーザが設定した軌道をロボット制御部３に入力してロボット２をティーチングする。図４に焼き入れ、焼き鈍し工程の模式図を示す。同図に示すように、加熱ヘッド１は、ロボット２によってワーク８に沿って移動する。高周波誘導加熱装置のユーザは、あらかじめワーク８に沿った軌道になるよう設定しておき、ロボット２はロボット制御部３の制御によって設定された軌道で移動する。
【００４０】
ワーク８のうち、加熱コイル１１の近傍は誘導加熱されて高温となる。焼き入れ工程においては、例えば８００℃程度の高温に加熱される。このとき、噴射部１２からは、圧縮空気と焼き入れ用冷却液が噴射される。焼き入れ用冷却液は、加熱ヘッド１の移動方向の後方に設置されている噴射部１２から噴射される。圧縮空気は、移動方向の前方に設置されている噴射部１２から噴射される。供給制御部７は、加熱ヘッド１の移動方向に応じて圧縮空気と冷却液の噴射を切り換える。すなわち、供給制御部７は、高周波制御部４を介して演算部５から加熱ヘッド１の移動方向の情報を受信し、移動前方に圧縮空気を噴射、移動後方に冷却液を噴射するように制御する。このように、移動方向に応じて圧縮空気と冷却液を切り換えることで、双方向に焼き入れを行うことができる。なお、焼き鈍し工程においては、冷却液の噴射は行わないが、上記と同様に双方向に焼き鈍しを行うことができる。
【００４１】
ワーク８は、高温に加熱された後、焼き入れ用冷却液によって急冷される。加熱ヘッド１が連続移動することで、ワーク８の表面全体が高温加熱後、急冷されて焼き入れされることになる。このような焼き入れ工程において、ワーク８の加熱温度と、冷却の速度を変化させることによって焼き入れ後の硬度、深度（焼き入れされる深さ）が変化する。また、焼き鈍し工程においても加熱温度を変化させることで硬度、深度が変化する。
【００４２】
加熱コイル１１の出力が高く、加熱コイル１１とワーク８のギャップが狭く、ロボット２の移動速度が遅いほど加熱温度は高くなる。冷却の速度は焼き入れ用冷却液の種類によって変化する。焼き入れ用冷却液には、焼き入れ水や焼き入れ油を用いる。一般に、焼き入れ水の場合には高速に冷却され、焼き入れ油の場合は低速に冷却される。これらの条件を、ワークの材質によって変え、焼き入れ後の硬度、深度をコントロールする。
【００４３】
さらに、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置は、以下のような動作を行う。演算部５は、所定の出力、移動速度、軌道で予備加熱を行うようにロボット制御部３と高周波制御部４に指示する。予備加熱はワーク８の材料特性が変化しない程度の温度で移動加熱する。例えば、ワーク８の表面温度が２００℃程度に加熱されるようにする。予備加熱においては、一定の出力、移動速度でワーク８に沿って移動させる。供給制御部７は、予備加熱時において噴射部１２から圧縮空気と冷却液を噴射しないよう制御する。
【００４４】
温度センサ１３は、予備加熱時のワーク８の表面温度を検出する。演算部５は、リアルタイムにワーク８の表面温度、加熱コイル１１の出力、ロボット２の移動速度、および位置を取得する。したがって、予備加熱によって、ワーク表面温度のばらつきを検出することができる。演算部５は、この表面温度のばらつきを無くし、均一化されるように加熱コイル１１の出力、ロボット２の移動速度、位置（主にギャップ）を修正演算する。
【００４５】
演算部５は、各ワークの材質に応じて、ワーク表面温度と、加熱コイル１１の出力、ロボット２の移動速度、およびギャップの関係を記載したデータベースをメモリ６に備えており、予備加熱によって検出したワーク表面温度を用いてこのデータベースを参照し、修正演算することができる。なお、マニュアルにより各種条件を変更することも可能である。一定の出力、速度、ギャップで予備加熱を行ったのち、ワーク表面温度のばらつきを参照し、マニュアルでそれぞれの位置における出力、速度、ギャップを変更する。
【００４６】
これにより、ワーク全体の焼き入れ（焼き鈍し）硬度、深度をさらに均一化することが可能となり、高い焼き入れ品質を得ることができる。
【００４７】
以上のように、本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置は、ロボットが携帯型の加熱ヘッドを保持してワークに沿って移動するので、複雑な形状のワークであっても３次元に移動加熱することができ、均一に加熱、冷却することができる。また、ワークの材料特性が変化しない程度に予備加熱を行い、ワーク表面の温度分布を測定し、このワーク表面の温度分布を均一にするように加熱ヘッドの出力、ロボットの移動速度、ロボットの軌道を修正するので、さらに高い焼き入れ、焼き鈍し品質を得ることができる。また、上記のパラメータを種々設定することで、本加熱の温度を変更することができ、焼き入れ（焼き鈍し）硬度、深度を制御することもできる。
【００４８】
なお、本発明の高周波誘導加熱装置は、焼き入れ、焼き鈍し以外の用途に用いることも可能である。ろう付け、半田付け、溶接等、高周波誘導加熱の一般的な用途に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置の外観図
【図２】本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置の加熱ヘッド部の外観図
【図３】本発明の実施形態に係る高周波誘導加熱装置のブロック図
【図４】焼き入れ、焼き鈍し工程を示した模式図
【符号の説明】
【００５０】
１−加熱ヘッド
２−ロボット
３−演算部
４−高周波制御部
５−ロボット制御部
６−メモリ
７−供給制御部
８−ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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